一、裝置簡介
(一)裝置發展及類型
1.裝置發展
聚酯工藝產生于20世紀40年代，在50年代實現了工業化，是利用基礎化工原料生產合成纖維的工藝技術。20世紀70年代以后，各國針對聚酯存在的吸水率低、不易染色、易產生靜電等缺點進行了改性研究，取得了較多成果，使聚酯工業有了飛速的發展。70年代末，我國從前西德引進了第一套直接酯化連續縮聚生產滌綸樹脂的工業化生產裝置。經過幾十年的發展，聚酯在我國三大合成纖維工業中已占有舉足輕重的地位。截止到2003年底，我國聚酯裝置的產能已經達到1115X104t/a，占世界總產量的三分之一左右。進入21世紀，隨著工藝技術的不斷發展，我國聚酯裝置正向工藝技術更先進、經濟效益更好的方向發展。
2，生產工藝路線
聚酯通常是由二元酸和二元醇經酯化和縮聚反應而制得的一種高分子縮聚物。目前用途廣的聚酯是由對苯二甲酸和乙二醇經酯化和縮聚反應所生成的聚對苯二甲酸乙二醇酯。生產聚酯的工藝技術主要取決于精對苯二甲酸、對苯二甲酸二甲酯及乙二醇的生產發展。用于合成聚對苯二甲酸乙二醇酯中間體的主要原料路線有以下幾種：一種是酯交換法(簡稱DMT法);另一種是直接酯化法(簡稱PTA法);第三種是環氧乙烷酯化縮聚路線(簡稱環氧乙烷法)。
酯交換法(DMT法)：是將以對苯二甲酸與甲醇反應生成易于精制提純的對苯二甲酸二甲酯，或采用對二甲苯合并氧化、酯化制成對苯二甲酸二甲酯，再將提純的對苯二甲酸二甲酯與乙二醇進行酯交換反應制得聚酯。該方法在聚酯工業化的初期，未找到有效提純對二甲苯的方法的時候得以廣泛應用。
直接酯化法(PTA法)：是以精對苯二甲酸與乙二醇為原料，進行直接酯化連續縮聚的反應制得聚酯。到90年代初期，PTA法的產量已經超過了DMT法，成為聚酯工業的主流生產工藝。
環氧乙烷法因為使用環氧乙烷代替乙二醇(EG)，可省去環氧乙烷水解工序，合成反應生成物為單一的對苯二甲酸雙盧—羥乙酯(BHET)，不需要回收設備，工藝流程短，成本低，所以是較有前途的生產方法。
從工藝流程上來看，PTA法連續化生產以前以六釜流程為主，即三段酯化，二段預縮，一段后縮，該流程技術較落后，物耗、能耗較高，已經基本被淘汰?，F在的生產流程是以吉瑪公司、鐘紡公司、伊文達公司為代表的五釜流程，或以杜邦公司、萊茵公司為代表的三釜流程為主。五釜流程即二段酯化，二段預縮，一段后縮，三釜流程即一段酯化，一段預縮，一段后縮。他們共同的特點是技術先進、工藝流程簡化、生產控制先進、裝置操作彈性大。(二)反應原理及特點
1.反應原理
精對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)和催化劑(三醋酸銻或三氧化二銻)在一定的溫度和壓力下直縮聚成聚酯的化學反應除副反應外，主反應為酯化和縮聚反應。酯化反應是直縮過程的起始反應，PTA與EG經過這一反應首先轉化為BHET單體即對苯二甲酸雙β—羥乙酯。其次是在一定溫度真空條件下進行縮聚反應，該反應是聚酯合成過程中的鏈增長反應。通過這一反應，單體與單體、單體與低聚物、低聚物與低聚物經過初、中、終三個階段逐漸縮聚成聚酯即對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在此須指出，在化學反應中加入三醋酸銻催化劑是為了改變正、逆反應速度以提高反應的選擇性。另外合成聚酯的縮聚反應與聚合反應是兩種不同的反應過程，兩者之間有本質的區別。聚合反應是不可逆的反應過程，而酯化、縮聚則是逐步完成的可逆平衡反應過程。
2.反應的特點
(1)酯化反應特點：多相酯化反應逐步向均相酯化反應轉化。
在實際生產條件下，溫度為220—300~C和EG/PTA摩爾比為1.0-2.0時，因PlA僅能部分溶解，反應不是完全的均相反應，還伴有多相反應。隨著反應的進行，PTA粒子溶解速度加快，PTA在反應物中的溶解度遠比在純EG中高，達到清晰點(PTA完全溶于液相時的酯化率)后，反應速度隨PTA與EG濃度而改變，與EG濃度成正比關系，呈均相酯化反應。
(2)縮聚反應特點：
?、倏s聚反應是可逆的，在實際生產中，酯化反應與縮聚反應并不是截然分開的，當酯化反應進行到一定程度時，即乙二醇酯生成一定量時，兩種反應同時存在。
首先是初期階段，即縮聚物分子鏈開始形成的起始階段。該階段的特點是反應處于中間體濃度較高的條件下進行，逆反應速度很小，因此平衡反應在此并不顯得重要。重點應以防止單體揮發、分解和維持嚴格的官能團等摩爾比為主。
其次是中期階段，即聚酯分子鏈增長階段。該階段的特點是縮聚反應依靠打破平衡去逐步提高產物分子量。系統中的原料和單體濃度將隨著不斷轉化為不同聚合度的縮聚物而逐步降低，同時物料黏度相應增大。
最后是終期階段，反應進行到了一定程度，縮聚物的分子量已經達到規定要求需要把反應及時終止的階段。
?、诳s聚反應中，存在著一些影響反應進行的副反應，主要是裂解作用，鏈交換反應和熔體的熱降解等。
裂解作用：縮聚反應是一個可逆平衡反應，反應所生成的縮聚物，小分子產物及尚未參與反應的原料中間體是同時并存的混合物?？s聚物兩端或小分子產物都具有能夠繼續反應的官能團，尤其高分子縮聚物中含有與其他物質作用時易發生斷裂的健。這些健與其他物質作用時易發生裂解作用?？s聚反應中小分子產物是水，它與酯基能產生水解作用，這是縮聚反應中主要的裂解作用。為減小該作用對縮聚反應的影響，在生產中常用提高真空的辦法盡量把水排除到最低限度。
鏈交換反應：高分子縮聚物的端基和另一高分子縮聚物的鏈節進行鏈交換反應。該反應并不影響產物分子量總數，所以數均分子量不會有什么變化，但是產物黏度會下降，這說明產物的重均分子量發生了改變。重均分子量對聚酯合成特別重要，須給予高度重視。
熔體的熱降解：縮聚反應是在高溫下進行的，反應物和生成物在反應末期均處于熔融狀態。溫度越高或停留時間越長，熔體發生熱分解的傾向越大。熱分解一旦產生會導致產物發生熱降解，是分子量降低。生產中為防止這種副反應的發生，有時加入部分穩定劑，使分子量不發生明顯的變化。
(三)裝置單元組成與工藝流程
從技術經濟方面看，PTA法具有：PTA消耗定額低，生產能力大;EG配料比低，回收系統小;無須甲醇回收工序;生產控制平穩;酯化反應過程沒有催化劑沉積現象;原料、公用工程消耗較低;建設投資低;操作安全等優點，因此本文對聚酯工藝敘述均以PTA法為主。
1.裝置單元的組成
聚酯裝置一般由主裝置單元和輔助裝置單元組成。
聚酯主裝置單元主要包括：漿料配置單元、催化劑及助劑配置單元、酯化單元、縮聚單元、切粒及成品輸送系統和清洗單元等。
輔助裝置單元主要包括：中間罐區、熱媒站、冷凍站、PTA、PET輸送系統和公用工程系統。
2.工藝流程簡述
以吉瑪公司聚酯工藝為例，聚酯裝置的組成是由漿料配制、酯化、縮聚及切片生產等主要單元組成并附有EG全回用系統和熱媒站送來330~C一次熱媒和裝置內二次熱媒循環系統等。
?、贊{料配制單元
日料倉中的PTA原料經計量稱量連續加入到漿料配制槽，并由PYA的加入量控制EG的加入量，配置成恒定摩爾比(PTA/EG)的漿料，隨著催化劑(三醋酸銻)溶液的加入，經攪拌合格的漿料通過莫諾泵(即螺桿泵)送到第一酯化反應器。
?、邗セ瘑卧?/p>
漿料在第一酯化釜中酯化率達到91%，依靠反應器間的壓差物料由第一酯化反應器進入第二酯化反應器，在第二酯化反應器中酯化率達到96%以上時，自流進入第一預縮反應器。第一酯化反應器由于熱負荷大，為裝置所需加熱的總熱量的53%，因此該反應器有兩個熱媒回路向其供熱。一路用于內加熱盤管，一路用于筒體夾套和汽相夾套的供熱。兩個酯化反應器的汽相物進人工藝塔，重組分乙二醛被分離出來，又回到兩個酯化反應器內。輕組分乙醛等去尾氣洗滌后進人污水預處理系統。
?、垲A縮聚單元
物料進入第一預縮不帶攪拌的反應器，然后靠位差進入臥式帶圓盤攪料器的第二預縮反應器。每臺反應器的汽相生成物進入刮板冷凝器，用新鮮的乙二醇進行噴淋，使汽相中大部分乙二醇蒸汽冷凝，在收集、降溫后在系統中循環使用。兩反應器的真空是由第一預縮系統的液環真空泵和第二預縮與后縮反應器合用一套三級乙二醇蒸汽噴射系統分別完成的。反應物從第二預縮反應器出口經夾套齒輪泵，通過預縮熔體過濾器后進入后縮聚反應器。
?、芎罂s聚單元
預聚物進入臥式雙驅動后縮圓盤反應器，反應器由三級乙二醇蒸汽噴射泵加液環真空泵實現高真空度。通過反應器真空度的調節，圓盤攪拌轉速以及液位控制，合格的聚合物熔體出來經夾套齒輪泵進入后縮熔體過濾器通過鑄帶頭后進行水下切粒。汽相生成物進入冷凍水噴淋的刮板冷凝器進行回收乙二醇，實現其循環使用。
?、萸辛０b系統
從水下切粒機出來的合格切片經水預分離器后通過干燥、振動篩進入成品料庫。經檢驗、打包即可運輸出廠。
3.工藝流程框圖見圖3—7。
(四)主要操作條件及工藝技術特點
1.主要操作條件
因不同的工藝操作條件不盡相同，表3—61列出PTA法聚酯生產裝置的主要工藝操作條件：
2.工藝技術特點
我國自20世紀80年代初引進的第一套聚酯裝置至今，在工藝技術及設備國產化開發過程中，逐步形成如下特點：
?、脔セに嚥粩鄡灮?，以較低的反應溫度260℃和較低的摩爾比1.08，它與高溫280℃、高漿料摩爾比1.90—2.0的酯化工藝相比，既減少了反應器中的蒸發量，又降低了能耗。第一酯化反應器能達到91%較高的酯化率，接近在工藝操作條件下的平衡酯化率，反應過程比較平穩，產品質量好。
?、趦蓚€酯化反應器共用一個分離含水乙二醇的工藝塔。該工藝塔不但承擔了兩臺酯化反應器汽相物的分離，在乙二醇全回用流程中承擔了縮聚反應器汽相物的分離，采用分離效率高的新型浮閥塔盤。
?、壅婵障到y采用乙二醇蒸氣噴射泵。與用水蒸氣噴射方式相比：一是能耗低，二是能使EG蒸氣冷凝液回收以便循環使用。
?、芤叶荚谘b置中全回用是聚酯裝置工藝路線設計的一大特點。它使兩個酯化、兩個預縮反應器中EG蒸氣經過工藝塔脫水后與后縮反應器以及噴射泵的EG凝液均可直接加入漿料配置，無須設置專用的EG回收系統，降低了EG的單耗。
?、菰O置尾氣淋洗塔，使排放達到環保要求。聚酯裝置的主要污染物是反應過程的副產物乙醛，它存在五個反應器的工藝尾氣中，但該裝置設置了尾氣洗滌塔，用20℃的水噴淋。吸收尾氣中的乙醛，洗滌后的尾氣達到環保標準后排放。淋洗液直接送廠區污水處理站。
?、薏捎昧斯伟迨嚼淠?，解決了縮聚真空系統的堵塞問題。各級縮聚噴淋冷凝器加裝自動刮板裝置，將低聚物收集于靜置槽中，有效的解決了齊聚物堵塞真空系統管道的問題，提高了裝置的運行周期。
(五)催化劑
催化劑的種類及用量對聚酯產品的質量和產率都有影響，加入催化劑是為了提高目的反應的速度，降低反應所需的活化能，在短的時間內使縮聚反應充分進行，達到理想的分子量分布。目前，國內常用的是醋酸銻為主的銻系催化劑，主要是醋酸銻或三氧化二銻。
(六)原輔料及產品性質
1.主要原輔料性質
PYA法生產聚酯所需原、輔料的主要理化性質、危險性、健康危害及安全防護措施匯總于表3—62。
2，產品性質
產品質量指標見表3—63
二、重點部位及設備
(一)聚酯裝置主要原料危險性分析
1，聚酯裝置主要原料安全特性
在聚酯生產整個工藝過程中，存在有n，A、乙二醇(KC)、二氧化鈦(TiO2)、三醋酸銻或三氧化二銻(Sb203)、熱媒(HTM)、二甘醇(DEG)、三甘醇(TEG)等多種易燃易爆，有毒有害介質見表3—64、表3—65。當生產不穩定或發生泄漏時很容易釀成重大事故，危及生產和人身安全。
2.聚酯裝置主要原料危險性分析
聚酯裝置為關鍵生產裝置及重點生產部位，其裝置特點是生產連續化，流程復雜化，介質危險程度高。這些特點決定了裝置的管理要細化，操作人員要有較高的技術素質。
(1)聚酯裝置為負壓下生產的裝置，主要物料為精對苯二甲酸和乙二醇，均為易燃易爆晶，加熱物料的載體為熱媒，為有毒物質。
(2)主要中毒物料為EG和三氧化二銻，長期接觸EG會引起慢性中毒，三氧化二銻加熱能放出氧化銻劇毒煙霧。
(3)熱媒熱載體，溫度很高，一般在330左右，所以操作時須穿防熱服、手套和面罩。
(4)由PTA裝置輸送PTA粉末和由PTA中間料倉向聚酯裝置送PTA粉末采用氮氣輸送。防止粉塵爆炸。并對輸送PTA的氮氣進行氧含量分析。
3，聚酯裝置主要危險物質分布
根據聚酯裝置工藝流程特點，以及裝置設備、管線的實際布置情況，調查裝置所使用有毒有害危險化學品的實際分布如表3—66、表3—67。
(二)重點單元及部位
1.主反應器系統
聚酯裝置的主反應器系統由酯化反應器、預縮聚反應器和后縮聚反應器組成。由于其采用的工藝條件及操作參數的不同，整個生產流程具有高溫、高壓、高真空等特點，因此對反應器的結構要求不同，反應器的形式既有立式、又有臥式。在實際生產中，若出現大的故;障，如第一酯化反應器攪拌機封泄漏、預縮聚反應器氣相系統結焦、后縮聚反應器氣相系統：結焦等，將影響裝置的正常安全生產，嚴重時需要緊急停工處理(該部分是事故多發區)。
2.熱媒加熱系統
聚酯裝置的熱能是通過熱媒的二次熱傳遞來實現，熱媒加熱系統由熱媒爐、泵以及各一：次熱媒蒸發器和二次熱媒蒸發器組成。熱媒系統屬于高溫、高壓，因此對設備及管線的要求：嚴格。在實際生產中，熱媒爐內盤管沖刷、熱媒泵機封磨損、一次與二次熱媒部分閥門磨損出現泄漏，都將造成嚴重事故。
3.制冷系統
聚酯預縮聚及后縮聚氣相真空系統中，乙二醇冷凝器、換熱器的冷凍水由冰機提供。冰機出現故障，直接影響預縮聚和后縮聚的真空效果，嚴重時造成預縮聚、后縮聚氣相真空管線堵塞，停工處理。
4.重點部位
根據聚酯生產的特點，以及在實際生產中總結的經驗，并依據中國石化總公司關鍵生產裝置的界定原則，在聚酯裝置中：主反應裝置、熱媒爐區、PTA輸送為關鍵生產裝置，中間罐區為重點生產部位。
(1)熱媒爐區：由熱媒爐、熱媒閃蒸罐和熱媒循環泵組成。
(2)中間罐區：由新鮮EG罐、粗EG罐、新鮮lEG罐、粗TEG罐、熱媒儲罐和燃料油罐。
(3)PTA輸送區：由PTA儲存料倉、PTA日料倉及若干氮氣罐和輸送風機組成。聚酯裝置危險點主要集中在：中間罐區、熱媒爐區、熱媒泵區、TEG蒸煮、熔體過濾器。
(三)重點設備
目前聚酯裝置設備國產化率可達85%(以臺數計)左右。所用原輔材料及聚合物均無腐蝕性，但整個生產反應過程不允許有鐵離子及雜質對物料污染，因此凡與物料接觸的設備、管道均為不銹鋼。裝置主反應器(酯化、預縮、終縮)，由于設備規格大，操作溫度高，加之有夾套使設備簡體還需承受外壓，因此簡體設計壁厚較厚，為節約不銹鋼降低造價，反應器殼體材料均采用不銹鋼復合鋼板，與熱媒接觸的夾套及熱媒系統的設備可采用碳鋼材質。
聚酯裝置重點設備機組及設備為主反應器、熱媒爐、冰機。此外，還有許多的特殊閥門如控制熱媒流量的調節閥、主物料調節閥等，這些閥門出現故障會導致裝置部分停工或全裝置停車，若處理不當也有可能導致惡性事故的發生。
1.主反應器
(1)酯化反應器。聚酯裝置一般采用大型立式攪拌反應器，吉瑪工藝第一酯化反應器為立式帶夾套單室攪拌釜。第二酯化反應器為立式帶夾套雙筒攪拌釜，即反應釜內裝有一個圓筒型隔離筒。將反應釜分為內外兩室，物料由外室進人內室并從底部排出。兩反應器內均設有內螺旋盤管;夾套采用l型螺旋盤繞熱媒夾套;攪拌器為上裝式，葉輪下部設有穩定軸承，密封采用雙端面機械密封。杜邦工藝則采用底部為列管加熱式、上部為蒸汽分離器立式反應器。第一酯化反應器是裝置的龍頭，其工藝操作參數屬高溫、高壓條件下進行，若出現泄漏(如攪拌機封、熱媒加熱盤管夾套等)、故障(攪拌)，不能運轉，裝置只能停工。
(2)預縮反應器。吉瑪預縮反應器為立式夾套真空反應釜和帶夾套臥式園盤真空反應器。反應器內裝有一根水平貫通軸，軸上裝有許多園盤的攪拌系統。軸與穿出的端蓋間采用橡膠“J”型密封裝置，以保證該反應器所需的真空度。杜邦預縮反應器則采用多層塔式溢流立式反應器。
(3)后縮反應器。吉瑪后縮反應器設計為帶夾套臥式真空雙驅動園盤反應器。反應器內由縱向串聯，上面裝有多塊園盤的兩根攪拌軸組成，其結構形式和攪拌原理與第二預縮反應器基本相似。兩根軸的另一端分別由左右端蓋穿出，支撐于固定在各端蓋的軸承上，軸與端蓋采用“廠型橡膠密封，以便保持反應器內的高真空。杜邦終縮聚釜為臥式反應釜，帶有鼠籠式攪拌器，可以擴大熔體的表面積，有利于脫除EG。
(4)刮板冷凝器。吉瑪工藝技術在兩個預縮和后縮反應器汽相出口的后面設有刮板冷凝器，有如原吉瑪公司工藝路線中預縮中的真空噴淋冷凝器和EG回收系統。刮板冷凝器為一“L，，型結構的真空容器，刮板安裝在一端支撐于簡體內，一端穿出端蓋有固定支撐的水平軸上。并與驅動電機、減速機相連。
2.熱媒加熱爐
熱媒加熱爐系統主要設備有熱媒爐、熱媒爐風機、熱媒泵等共同構成，通過燃燒熱媒加熱熱媒爐內的多組熱媒盤管，為裝置提供熱能。該機為聚酯裝置的動力心臟，若出現問題不能運轉，整個裝置只能停工。一般大型聚酯裝置都設置兩臺主風機、兩臺輸送熱媒泵，一開一備，這對保證裝置安全生產十分重要。
3.冰機
冰機是聚酯裝置的特護大型設備之一，其作用是為聚酯裝置預縮、后縮真空系統提供冷凍水。一但冰機出現故障，預縮、后縮真空度將受到影響，并直接影響到聚酯切片的質量，嚴重時造成裝置停工。因此，在大型聚酯裝置中都設置多臺冷凍冰機，以確保實際生產的需求。
4.特殊閥門
在聚酯裝置的一次液相熱媒單元及二次氣相、液相熱媒單元中，使用大量大口徑的氣動和電磁閥門，它們工作介質均為高溫、高壓熱媒，大多數閥門操作溫度在300—500℃左右，既有調節性能，又有安全快速的切斷(打開)性能。
